WO2024056980A1 - Procédé de soudage par point - Google Patents

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WO2024056980A1
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resistivity
differential
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Alex GROJEAN
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Gaming Engineering
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Definitions

  • the present invention relates to the assembly of metal parts, and in particular the assembly of sheet metal using the spot welding technique.
  • Spot welding is used in many sectors, mainly in the automotive sector, and particularly in the aeronautics and railway sectors, to assemble steel parts, and increasingly, aluminum parts.
  • Spot welding generally consists of placing the parts to be welded between two electrodes with low thermal and electrical resistance, which hold them under high pressure, of the order of a few kN. By establishing a strong electric current, of the order of ten kA, between the two electrodes, electrical energy is supplied to the parts to be welded which heat up locally by the Joule effect. If the electric current is sufficient, this supply of thermal energy locally brings the parts to be welded into fusion in the vicinity of the interface between them, to form a welding core. Spot welding therefore has the advantage of requiring neither shielding gas nor filler material.
  • the distribution of thermal energy in the parts to be welded, between the electrodes depends on numerous factors, such as the thickness and the intrinsic resistivity of each of the parts to be welded, as well as the surface conditions (contact resistivity) of the zones. contact of the two parts to be welded with the electrodes and at the interface between the two parts to be welded.
  • the two parts to be welded may have different melting temperatures, so the thermal energy input should be greater in the part to be welded with the higher melting temperature.
  • the distribution of thermal energy favorable to the formation of a welding core centered on the interface between the two parts to be welded can therefore vary significantly depending on the intrinsic characteristics of the parts to be welded.
  • the welding core is initiated in an unselected zone, and the duration of the electrical energy supply is increased so that the welding core extends across the interface between the two parts to weld. This can therefore result in excessive power consumption. Additionally, the weld core may be just tangent to the interface between the two parts due to a duration insufficient electrical energy supply.
  • the parts to be assembled can apparently be fixed to one another by a gluing phenomenon, without the parts being welded to one another. Furthermore, an excessive input of electrical energy can lead to the formation of cavities in the parts to be assembled and a deterioration of the mechanical strength of the latter.
  • an insert is used to assemble a part, for example non-metallic, with a metal part.
  • the insert is engaged in a hole formed in the non-metallic part, then is welded to the metal part so as to hold the non-metallic part against the metal part. If the thermal energy is not correctly distributed, the end of the insert can collapse under the effect of this thermal energy without the metal part melting.
  • Embodiments relate to a spot welding method, comprising steps consisting of: arranging two electrically conductive parts to be assembled between two electrodes, each of the two parts having an interface zone between the two parts and a contact zone with one of the two electrodes, and establishing a first electric current between the two electrodes through the two parts, the first electric current producing thermal energy capable of forming a welding core within the two parts, characterized in that it comprises a step of adjusting a distribution of thermal energy density produced by the first electric current as a function of intrinsic characteristics of each of the two parts, to generate a initiation zone of the welding core, at a depth chosen in the parts to be assembled.
  • the term "depth” is used to designate the distance between a point in the parts to be assembled on the common longitudinal axis of the electrodes and the contact surface of one of the electrodes,
  • adjusting the resistivity differential of the electrodes comprises covering the contact surface of one of the electrodes with a fixed or removable layer, in a material having a resistivity making it possible to obtain the resistivity differential adjusted.
  • the adjustment of the thermal energy density distribution comprises a step of selecting electrodes having different contact surfaces, to adjust a differential of contact surfaces of the electrodes with the two parts.
  • the distribution of thermal energy can be easily adjusted in the parts to be joined to form the spot weld.
  • the adjustment of the thermal energy density distribution comprises a step of selecting electrodes having different contact surface resistivities to adjust a differential of contact surface resistivities between the electrodes.
  • the adjustment of the thermal energy density distribution comprises a step of selecting electrodes having different resistivities to adjust a resistivity differential between the electrodes.
  • Adjusting the electrode resistivity differential makes it possible to obtain a quality spot weld with a wide range of parts with intrinsic characteristics that can be very different.
  • the adjustment of the resistivity differential of the electrodes is carried out by at least one of the following methods: by using electrodes made of materials having the adjusted resistivity differential, by covering the contact surface with one of the electrodes of a fixed or removable layer, made of a material having a resistivity making it possible to obtain the adjusted resistivity differential, and by inserting into one of the electrodes a layer of a material having a resistivity making it possible to obtain the adjusted resistivity differential.
  • the intrinsic characteristics of each of the two parts include at least one of the following characteristics: thickness, resistivity, and melting temperature.
  • the adjustment of the thermal energy density distribution comprises steps consisting of: using for one of the two electrodes a multiple electrode formed of at least two parts of electrodes electrically insulated one on the other, the first electric current being established between one of the electrode parts and the other of the two electrodes, and establishing a second electric current between the two electrode parts via the parts to be assembled to form a first welding core facing one of the two electrode parts.
  • the method further comprises a step of reversing the second current between the two electrode parts to extend the welding core towards an area facing the other of the two electrode parts.
  • the step of reversing the second current between the two electrode parts is carried out several times.
  • the method further comprises a step of adjusting the electrical energy supplied by each of the first and second electrical currents to form the initiation zone of the welding core at a depth in the parts depending on a differential in electrical energies supplied by the first and second electrical currents.
  • the adjustment of the thermal energy density distribution comprises steps consisting of: using for the other of the two electrodes a multiple electrode formed of at least two parts of electrodes electrically insulated one on the other hand, selecting an electrode part from the two electrodes, and applying voltage polarity to the selected electrode part and applying reverse voltage polarity to the unselected electrode parts.
  • a second double electrode makes it possible to reach any depth in the stack of parts to be assembled to form the welding core.
  • the two parts to be assembled belong to a stack of more than two parts, the method comprising several successive steps of adjusting the electrical energy supplied by each of the first and second electric currents to adjust the depth of the initiation zone of the welding core in the stack, in order to extend the welding core to the interfaces between the parts of the stack.
  • one of the two parts to be assembled is an insert placed in an orifice of a third part to be assembled to assemble the third part to the other of the two parts to be assembled.
  • Embodiments may also relate to a spot welding system comprising two electrodes, to be applied against two opposite faces of a stack of parts to be assembled, the system being configured to implement the process as previously defined.
  • the electrodes have a contact surface differential, and/or the electrodes have a contact surface resistivity differential with the parts to be assembled, and/or the electrodes have a resistivity differential, and/or at least one of the electrodes comprises two electrode parts electrically insulated from one another and connected so as to each receive a respective voltage.
  • one of the two electrodes has one of the following characteristics: is made of a material having a resistivity greater than the resistivity of the other electrode, has a contact surface covered with a fixed layer or removable, made of a material having a resistivity greater than the resistivity of the electrode, and comprises a housing in which is inserted a material having a resistivity greater than the resistivity of the electrode.
  • Figure 1 schematically represents in section two parts to be assembled placed against each other between two spot welding electrodes, according to the prior art
  • FIGS 2 to 8 schematically represent in section two parts to be assembled placed against each other between two spot welding electrodes, according to various embodiments,
  • Figures 9A, 9B, 9C schematically represent in section two parts to be assembled placed against each other between two spot welding electrodes, according to another embodiment
  • Figure 10 schematically represents in section two parts to be assembled placed against each other between two spot welding electrodes, according to another embodiment
  • Figures 11 A, 11 B, 11 C schematically represent in section two parts to be assembled against each other at different stages of an assembly process, according to another embodiment
  • Figures 12A, 12B schematically represent in section two parts to be assembled against each other at different stages of an assembly process, according to another embodiment.
  • Figures 1 to 8 represent two parts to be assembled P1, P2 placed against each other between two spot welding electrodes E1, E2, E11, E12, E21-E26 aligned along an axis Z.
  • Figure 1 illustrates a spot welding mode according to the prior art.
  • the parts P1, P2 have the shape of plates represented horizontally, with a contact surface S3 at the interface between the two parts.
  • Part P1 shown in the figures in the upper position has a thickness less than part P2 shown in the lower position.
  • the upper electrode E1, E11, E21-E26 is therefore placed against the upper part P1 and has a contact surface S1 with the part P1.
  • the lower electrode E2, E12 is placed against the lower part P2 and has a contact surface S2 with the part P2.
  • the parts are electrically conductive, and the electrodes E1, E2, E11, E12, E21-E26 are subjected to a voltage, of so as to cause an electric current to flow from one electrode to the other.
  • the passage of the current through the parts P1, P2 produces more or less high heating locally, depending on the resistivity of the regions crossed by the current.
  • These resistive regions include: the electrodes E1, E2, E11, E12, E21-E26 which are made of low resistivity materials R1, R7, for example copper, the contact surfaces S1, S2 between the electrodes and the parts P1 , P2 to be assembled, whose respective resistivities R2, R6 depend on the pressure exerted by the electrodes and the state of the surfaces in contact, the parts P1, P2 to be assembled having respectively resistivities R3, R5, and the contact surface at the interface S3 between the parts to be assembled, whose resistivity R4 depends on the pressure exerted by the electrodes and the state of the surfaces in contact.
  • the respective resistivities R2, R4, R6 of the contact surfaces S1, S2, S3 are partly linked to the pressure exerted by the electrodes E1, E2, which can reach several kN.
  • a weld core WN develops in and around this zone, in which the materials constituting the parts melt.
  • the assembly of the two parts P1, P2 is carried out when the welding core WN extends to the two parts through the contact surface S3, which implies that the initiation zone has reached or exceeded the melting temperatures of the two pieces.
  • Figures 1 to 8 represent the relative values of the resistivities R1-R7, and the values of the current densities 11, I2, I3 through the contact surfaces S1, S2 and the interface S3.
  • the contact surfaces of the electrodes E1, E2 are identical.
  • the density of the thermal energy generated by the Joule effect can be distributed so as to form an initiation zone of the welding core located on the median plane PM at equal distances from the contact surfaces S1, S2 between the parts P1, P2 and the electrodes E1, E2.
  • the distribution of thermal energy can generate a welding core WN in a zone distant from the interface zone S3 between the two parts P1, P2, where it is desirable to form the welding core to ensure the attachment of the parts P1, P2 to each other.
  • the current between the electrodes will have to be supplied for a longer time to allow the welding core to extend and reach the other part P1 through the interface zone S3.
  • the resistivities R1, R7 of the electrodes E1, E2 are low, the resistivities R2, R6 of the contact surfaces S1, S2 are a little higher, the resistivity R3 of the part P1 is substantially identical at the resistivity R2 of the contact surface S1, the resistivity R5 of the part P2 is greater than that of the part P1, and the resistivity of the interface S3 is substantially identical to that of the part P2.
  • the current densities 11, I2, 13 are substantially identical to the interfaces S1, S2, S3.
  • the electrodes E11, E12 differ from the electrodes E1, E2 in that they have different respective contact surfaces S11, S12 with the parts P1, P2.
  • the electrode E11 has the smallest contact surface S11 and is in contact with the part P1 having the smallest thickness.
  • the current density 11, and therefore the thermal energy density is higher in the vicinity of the electrode E11 presenting the smallest contact surface S11.
  • the current density I3 is lower in the vicinity of the electrode E12 presenting the largest contact surface S12.
  • the resistivities R1-R7 are not modified compared to the embodiment of Figure 1.
  • the initiation zone where the thermal energy is most concentrated is therefore moved towards the electrode E11, which allows to form a welding core WN1 at a depth closer to the interface S3 between the two parts P1, P2.
  • Figure 3 represents the two parts to be assembled P1, P2 placed against each other between two spot welding electrodes E21, E2.
  • the electrode E21 differs from the electrode E1 in that its resistivity R1 is greater than that (R7) of the electrode E2.
  • the current densities 11, I2, I3 are not modified.
  • the most resistive electrode E21 heats up more by Joule effect than the less resistive electrode E2.
  • the distribution of thermal energy presents a zone receiving the most thermal energy at a depth even closer to electrode E21 than to electrode E2.
  • the resistivity R2 of the contact surface S1 of the upper electrode E22 is increased, for example by increasing the roughness of the surface of the electrode so that only part of the surface of the The electrode E22 is in contact with the part P1.
  • the resistivity R1 of the upper electrode E23 is increased by placing a resistive layer RL on the contact surface S1 of the electrode E23.
  • the resistive layer RL is formed of a material more resistive than the material constituting the electrodes E23, E2.
  • the resistivity of the resistive layer RL can be adjusted by the choice of the material which constitutes it and its dimensions, so that the initiation zone of the welding core WN2 within the parts P1, P2 to be assembled is located on or near of the interface S3 between the parts P1, P2.
  • the presence of the resistive layer at the interface between the electrode E23 and the part P1 can have the effect of increasing the resistivity R2 of the contact surface S1.
  • the upper electrode E24 of Figure 6 differs from that (E23) of Figure 5 in that its contact surface S21 is larger than the contact surface S2 of the lower electrode E2.
  • the resistive layer RL3 can also be widened to cover the entire contact surface S1 of the electrode E24. This arrangement makes it possible to obtain an enlarged WN3 welding core. It should be noted here that the increase of the resistivity R1 obtained by the resistive layer RL3 largely compensates for the increase in the contact surface S21 and makes it possible to form the welding core WN3 in the vicinity of the interface between the two parts P1, P2, even if the lower part P2 has a greater thickness than the upper part P1.
  • the resistivity R1 of the upper electrode E25 is increased by inserting a resistive material RL1 into a housing located in the vicinity of the contact surface S1 of the electrode E25.
  • the surface condition of electrode E25 can be identical to that of electrode E2.
  • the resistivity of the resistive insert RL1 can also be adjusted for the same purpose as in the embodiment of Figure 5.
  • the upper electrode E25 of Figure 8 differs from that (E23) of Figure 5 in that the resistive layer RL of the upper electrode is replaced by a removable part RL2 capable of being fixed so as to cover the surface of contact S1 of electrode E25.
  • Part RL2 is made of a more resistive material than the material constituting electrodes E25, E22. Part RL2 is for example fixed by clips on electrode E25.
  • the resistive layer RL, RL3 can be made for example of steel, aluminum, bronze or nickel. It can be formed on the contact surface of the electrode by a metallization process such as the cold spray process.
  • the cold spraying process consists of projecting a metal powder at a high speed using a gas under pressure and high temperature (up to 50 bars and 1100°C) onto the surface to be covered, the force of impact ensuring the quality of the deposit.
  • a converging-diverging nozzle (De-Laval type) transforms the temperature and pressure of the gas into kinetic energy, causing it to accelerate to supersonic speed and cool to a temperature below 100°C.
  • the metal powder is injected into the high pressure zone of the nozzle, where the metal particles are accelerated to speeds of up to 1200m/s.
  • the deformation of the particles upon impact on the surface to be treated makes it possible to obtain very good quality coatings, with strong adhesion and no oxidation.
  • the nature of the metal forming the metal powder is chosen to adjust the resistivity differential of the electrodes.
  • the contact surface of the removable part RL2 can also be treated by such a metallization process.
  • Figures 9A, 9B, 9C illustrate a method of assembling parts P1, P2 by spot welding, according to another embodiment.
  • Figures 9A, 9B, 9C represent the two parts P1, P2 arranged one against the other and between two electrodes E31/E32 and E2.
  • these figures represent the parts P1, P2 to assemble in the form of horizontal plates, the upper part P1 having a thickness less than the lower part P2.
  • the electrodes therefore comprise an upper electrode E31/E32 arranged above the parts to be assembled and a lower electrode E2 arranged below the parts to be assembled.
  • the electrode E31/E32 is a double electrode comprising two electrodes (or two electrode parts) E31 and E32 separated by an electrically insulating layer DL.
  • the electrode parts E31 and E32 can be subjected to different voltages.
  • the electrode parts E31 and E32 and the insulating layer can be assembled for example by a ring placed around the assembly.
  • the insulating layer can be made of a dielectric material stable at the temperatures to which the electrodes are subjected.
  • This dielectric material may for example be a composite material based on calcium silicate, a geopolymer, PTFE (polytetrafluoroethylene), PPS (polyphenylene sulfide), PAI (polyamide-imide), a PSU (polysulfone), alumina or even a ceramic.
  • the double electrode E31/E32 has the same external volume as the single electrode E2.
  • the contact surface of the double electrode E31/E32 can be treated by the same tool as the single electrode E2, in particular to carry out in production a so-called "running-in” operation aimed at removing the particles of material torn from the parts to be welded and adhering to the contact surface.
  • the compactness of this embodiment also makes it possible to meet the challenges of accessibility to the areas to be assembled, which depends on the size of the electrodes.
  • Figure 9A illustrates a step of the assembly process, in which the electrode E31 is subjected to a positive voltage and the electrodes E32 and E2 are subjected to a negative voltage.
  • a first current 111 is established between the electrodes E2 and E31 through the parts P1, P2, and a second current 112 is established between the electrodes E32 and E31 mainly through the part P1 in contact with the electrode dual E31/E32.
  • the two currents 111, 112 form a zone of higher current density in the vicinity of the contact surface between the part P1 and the only electrode (E31) subjected to a positive voltage, this zone of higher current density being conducive to the formation of an initiation zone SZ of a welding core WN4.
  • Figure 9B illustrates a step of the assembly process, in which the electrode E32 is subjected to a positive voltage and the electrodes E31 and E2 are subjected to a negative voltage.
  • the first current 111 is established between the electrodes E2 and E32 through the parts P1, P2
  • the second current 112 is established between the electrodes E31 and E32 mainly through the part P1 in contact with the double electrode E31/E32.
  • the combination of the two currents 111, 112 therefore promotes the formation of an initiation zone SZ of a welding core near the electrode E32.
  • Figure 9C illustrates a final state of an assembly process chaining the steps illustrated by Figures 9A and 9B, exploiting thermal inertia.
  • the initiation zone SZ is moved laterally from electrode E31 towards electrode E32.
  • the welding core WN4 is extended in the direction of the electrode E32 to form a welding core WN5 extending to the interface S3 and having the width of the double electrode E31, E32 or the electrode E2.
  • the duration of the welding operation in two stages ( Figures 9A, 9B) can be shorter at equal voltages than in a single one. step with two simple electrodes with the same contact surfaces.
  • the double electrode E31/E32 can be used as a single electrode by subjecting the electrodes E31 and E32 to the same voltage of positive or negative polarity, while the electrode E2 is subjected to a voltage of reverse polarity . In this way, a current is established between the electrodes E2 and E31/E32 through the parts P1, P2.
  • the steps illustrated by Figures 9A, 9B are chained several times by reversing the polarities of the voltages applied to the electrodes E31 and E32 several times.
  • the polarities of the voltages applied to the electrodes E31 and E32 are reversed at a frequency of several hundred Hertz (for example 1 kHz) for a duration of a few hundred milliseconds (for example 1 s).
  • the voltage supplied to the electrodes E2, E31, E32 is modulated so as to adjust the energy electrical energy supplied by the first current 111 between the electrodes of reverse polarities E2 and E31 (case of Figure 9A) or E2 and E32 (case of Figure 9B) on the one hand, and on the other hand the electrical energy supplied by the second current 112 between the electrodes E32 and E31.
  • This adjustment makes it possible to adjust the position of the zone of higher energy density and therefore the ignition zone, between the electrode E2 and the double electrode E31/E32.
  • the first current 111 can be zero and the second current 112 non-zero.
  • the initiation zone SZ of the welding core is generated by the second current 112 and is therefore located closest to the double electrode E31/E32.
  • the second current 112 can be zero and the first current 111 non-zero.
  • the initiation zone of the welding core is formed by the first current 111 and is therefore located substantially at equal distances from the contact surfaces S1, S2 of the electrodes E31/E32 and E2, on the median plane PM at equal distances. distances of the contact surfaces S1, S2. Consequently, in the presence of the two currents 111, 112, the initiation zone SZ of the welding core is formed between these two extremes in the parts P1, P2, at a distance from the double electrode E31/E32 depending on the ratio between the intensities of these two currents.
  • the adjustment of the electrical energy supplied by the currents 111, 112 between each pair of electrodes (E31, E2) and (E31, E32) or (E32, E2) and (E32, E31), of opposite polarities can be carried out by applying different modulations to these pairs of electrodes.
  • the modulation used can be of the PWM type ("Pulse Width Modulation"), the electrical energy supplied being adjusted by adjusting the cyclic ratio of the modulation.
  • Figure 10 schematically represents in section the two parts P1, P2 to be assembled placed one against the other between two spot welding electrodes E31/E32 and E41/E42, according to another embodiment.
  • the embodiment of Figure 10 differs from that of Figure 9A in that the two electrodes on either side of the parts P1, P2 to be assembled are double electrodes.
  • the lower electrode in Figure 10) is formed of two electrodes E41 and E42 separated from each other by a layer DL1 of an electrically insulating material.
  • the provision of two double electrodes makes it possible to generate the initiation zone of the welding core in the vicinity of any of the electrodes E31, E32, E41, E42, and therefore to adjust the position of the welding core WN7 to n no matter what depth in the parts P1, P2 between the double electrodes E31/E32 and E41/E42.
  • the initiation zone of the welding core can be located as previously described between the median plane PM located at equal distances from the contact surfaces S1, S2 and the double electrode E31/E32, by establishing the first current between the double electrode E41/E42 and the electrode E31 or E32, and the second current between the electrodes E31 and E32.
  • the double electrode E41/E42 makes it possible to establish the first current between the double electrode E31/E32 and the electrode E41 or E42, and the second current between the electrodes E41 and E42.
  • the initiation zone of the welding core can be located in the thickness of the parts P1, P2, between the median plane PM of the cumulative thickness of the parts P1, P2 and the contact surface of the double electrode E41 /E42.
  • the double electrode E31, E32 can be replaced by a multiple electrode, divided into more than two electrodes separated by electrically insulating layers, one of the electrodes of the multiple electrode being subjected to a first voltage and the other electrodes of the multiple electrode being subjected to a second voltage of opposite polarity, during a step of the welding process.
  • the welding process can then include as many steps like those illustrated in Figures 9A, 9B as there are electrodes in the multiple electrode, the electrode subjected to the first voltage being modified at each step. This arrangement makes it possible to further increase the current density in the vicinity of the electrode subjected to the first voltage.
  • the spot welding process makes it possible to obtain a weld having the required quality while reducing the electrical energy required, with parts to be assembled which can have very different thicknesses. , different resistivities and different melting temperatures.
  • the welding process can be applied to the assembly of two electrically conductive parts, of the same composition or of different compositions, for example in steel, aluminum, copper, titanium, in a nickel alloy for example of the Inconel® type.
  • the number of parts to be assembled may be greater than two, the parts to be assembled forming a stack of parts.
  • the assembly of such a stack can for example be carried out by using multiple electrodes as illustrated in Figure 10, and by varying the depth of formation of the initiation zone of the welding point to reach all the interfaces between two parts of the stack.
  • Figures 11 A, 11 B, 11 C represent two parts P3, P4 to be assembled against each other at different stages of an assembly process, according to one embodiment.
  • the part P3 can be made of a material not compatible with the spot welding technique, such as for example a non-electrically conductive material, or a material likely to be damaged due to the high temperatures and pressures to which the parts are subjected.
  • An INS insert is used to assemble parts P3, P4.
  • the insert INS is engaged in an orifice H crossing formed in part P3.
  • the insert INS comprises a central CP stud designed to be welded to the part P4 and a peripheral edge PE designed to form a stop when it is inserted into the part P3 and retain the part P3 after welding the insert to the part P4 .
  • the INS insert may also include a peripheral flange AC intended in particular to protect the part P3 from high temperatures during welding of the CP pad on the part P4.
  • the flange AC can also be shaped to create the orifice H when the insert is engaged in the part P3.
  • the INS insert is engaged in the orifice H formed in part P3.
  • the assembly formed of parts P3, P4 and the insert INS is placed between spot welding electrodes, for example the electrodes E21, E2, the resistivity differential between the electrode E21 placed in contact with the part P4 and the electrode E2 placed in contact with the INS insert, being adjusted so that the initiation zone of the welding core is formed at a depth corresponding to that of the free end of the CP pad.
  • a current is supplied between the electrodes E21, E2, which makes it possible to form a welding core WN8 including the free end of the CP pad which is deformed under the effect of the thermal energy provided by the electrodes, and part of the part P4 in contact with the pad.
  • the INS insert then makes it possible to hold the parts P3, P4 pressed against each other.
  • the depth of the welding core initiation zone can also be adjusted using multiple electrodes as shown in Figures 9 and 10.
  • the process can be applied to the assembly of an electrically conductive part, for example made of steel, aluminum, copper, etc. with a part made of a non-electrically conductive material, such as for example a resin, polymer, ceramic or composite type material.
  • the INS insert can be formed from a material such as steel or aluminum.
  • Figures 12A, 12B represent the two parts P3, P4 to be assembled against each other at different stages of an assembly process, according to another embodiment.
  • the embodiment illustrated by Figures 12A, 12B differs from that of Figures 11A-11 C in that the insert INS1 used to assemble the parts P3, P4 has a simplified shape without peripheral flange AC.
  • a current is supplied between the electrodes E21, E2, which makes it possible to form a welding core WN9 including the free end of the pad CP which has deformed, and a part of the part P4 in contact with the plot.
  • the insert INS1 then makes it possible to hold the parts P3, P4 pressed against each other.
  • a removable part in a selected material, removably fixed on one and/or the other of the electrodes, in order to cover the contact surface of the electrode
  • one or two electrodes comprising at least two electrode parts assembled together with a dielectric layer placed between the electrode parts to electrically isolate them from each other,

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Abstract

L'invention concerne un procédé de soudage par point, comprenant des étapes consistant à : disposer deux pièces (P1, P2) à assembler, électriquement conductrices entre deux électrodes (E123, E22), chacune des deux pièces présentant une zone d'interface (S3) entre les deux pièces et une zone de contact (S1, S2) avec l'une des deux électrodes, établir un premier courant électrique entre les deux électrodes au travers des deux pièces, le premier courant électrique produisant une énergie thermique apte à former un noyau de soudage (WN1-WN8) au sein des deux pièces, et ajuster une répartition de densité d'énergie thermique produite par le premier courant électrique en fonction de caractéristiques intrinsèques de chacune des deux pièces, pour générer une zone d'amorçage du noyau de soudage, à une profondeur choisie dans les pièces à assembler.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé de soudage par point
Domaine technique
La présente invention concerne l’assemblage de pièces métalliques, et notamment l’assemblage de tôles par la technique de soudage par points. Le soudage par point est utilisé dans de nombreux secteurs, principalement dans le secteur automobile, et notamment dans les secteurs aéronautique et ferroviaire, pour assembler des pièces en acier, et de plus en plus, en aluminium.
Etat de la technique
Le soudage par point consiste généralement à disposer les pièces à souder entre deux électrodes à faibles résistances thermique et électrique, qui les maintiennent sous une forte pression, de l’ordre de quelques kN. En établissant un fort courant électrique, de l’ordre d’une dizaine de kA, entre les deux électrodes, de l’énergie électrique est fournie aux pièces à souder qui s’échauffent localement par effet Joule. Si le courant électrique est suffisant, cet apport d’énergie thermique porte localement les pièces à souder en fusion au voisinage de l’interface entre ces dernières, pour former un noyau de soudage. Le soudage par point présente donc l’avantage de ne nécessiter ni gaz de protection, ni matériau d’apport.
Or la répartition de l’énergie thermique dans les pièces à souder, entre les électrodes dépend de nombreux facteurs, comme l’épaisseur et la résistivité intrinsèque de chacune des pièces à souder, ainsi que les états de surface (résistivité de contact) des zones de contact des deux pièces à souder avec les électrodes et à l’interface entre les deux pièces à souder. En outre, les deux pièces à souder peuvent présenter des températures de fusion différentes, si bien que l’apport d’énergie thermique devrait être plus important dans la pièce à souder ayant la température de fusion la plus élevée. La répartition d’énergie thermique favorable à la formation d’un noyau de soudage centré sur l’interface entre les deux pièces à souder, peut donc varier d’une manière importante en fonction des caractéristiques intrinsèques des pièces à souder.
Dans ces conditions, le noyau de soudage est amorcé dans une zone non choisie, et la durée de l’apport d’énergie électrique est augmentée de manière à ce que le noyau de soudage s’étende au travers de l’interface entre les deux pièces à souder. Il peut donc en résulter une consommation électrique excessive. En outre, le noyau de soudage peut être juste tangent à l’interface entre les deux pièces en raison d’une durée d’apport d’énergie électrique insuffisante. Les pièces à assembler peuvent en apparence être fixées l’une à l’autre par un phénomène de collage, sans que les pièces soient soudées l’une à l’autre. Par ailleurs, un apport d’énergie électrique excessif peut entrainer la formation de cavités dans les pièces à assembler et une dégradation de la tenue mécanique de ces dernières. Ces inconvénients peuvent réduire l’étendue des applications possibles de la technique de soudage par point.
Dans certaines applications, on utilise un insert pour assembler une pièce, par exemple non métallique, avec une pièce métallique. L’insert est engagé dans un orifice formé dans la pièce non métallique, puis est soudé à la pièce métallique de manière à maintenir la pièce non métallique contre la pièce métallique. Si l’énergie thermique n’est pas correctement répartie, l’extrémité de l’insert peut s’effondrer sous l’effet de cette énergie thermique sans que la pièce métallique entre en fusion.
Il peut donc être souhaitable de pouvoir adapter la répartition d’énergie thermique apportée par les électrodes en fonction des caractéristiques intrinsèques des pièces à souder, notamment afin d’obtenir une soudure par point ayant la qualité requise tout en réduisant l’énergie électrique requise. Il peut également être souhaitable d’étendre les usages possibles de la technique de soudage par point à d’autres matériaux que l’acier et l’aluminium et d’autres formes de pièces que des tôles de faible épaisseur.
Résumé de l’invention
Des modes de réalisation concernent un procédé de soudage par point, comprenant des étapes consistant à : disposer deux pièces à assembler, électriquement conductrices entre deux électrodes, chacune des deux pièces présentant une zone d’interface entre les deux pièces et une zone de contact avec l’une des deux électrodes, et établir un premier courant électrique entre les deux électrodes au travers des deux pièces, le premier courant électrique produisant une énergie thermique apte à former un noyau de soudage au sein des deux pièces, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’ajustement d’une répartition de densité d’énergie thermique produite par le premier courant électrique en fonction de caractéristiques intrinsèques de chacune des deux pièces, pour générer une zone d’amorçage du noyau de soudage, à une profondeur choisie dans les pièces à assembler.
En adaptant la répartition d’énergie thermique apportée par le courant électrique circulant entre les électrodes, en fonction des caractéristiques intrinsèques des pièces à souder, il est possible de générer une zone d’amorçage du noyau de soudage à une profondeur correspondant à la surface de contact entre les pièces à assembler et donc réaliser une soudure par point robuste, sans endommager les pièces, tout en réduisant l’énergie électrique requise. Dans ce qui suit, le terme "profondeur" est employé pour désigner la distance entre un point dans les pièces à assembler sur l’axe longitudinal commun des électrodes et la surface de contact de l’une des électrodes,
Selon un mode de réalisation l’ajustement du différentiel de résistivité des électrodes comprend le recouvrement de la surface de contact de l’une des électrodes d’une couche fixe ou amovible, en un matériau présentant une résistivité permettant d’obtenir le différentiel de résistivité ajusté.
Selon un mode de réalisation, l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend une étape de sélection d’électrodes présentant différentes surfaces de contact, pour ajuster un différentiel de surfaces de contact des électrodes avec les deux pièces.
Ainsi, la répartition de l’énergie thermique peut être facilement ajustée dans les pièces à assembler pour former la soudure par point.
Selon un mode de réalisation, l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend une étape de sélection d’électrodes présentant différentes résistivités de surface de contact pour ajuster un différentiel de résistivités de surfaces de contact entre les électrodes.
Selon un mode de réalisation, l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend une étape de sélection d’électrodes présentant différentes résistivités pour ajuster un différentiel de résistivité entre les électrodes.
L’ajustement du différentiel de résistivité des électrodes permet d’obtenir une soudure par point de qualité avec une large gamme de pièces présentant des caractéristiques intrinsèques qui peuvent être très différentes.
Selon un mode de réalisation, l’ajustement du différentiel de résistivité des électrodes est réalisé, par au moins l’une des méthodes suivantes : en utilisant des électrodes réalisées dans des matériaux présentant le différentiel de résistivité ajusté, en recouvrant la surface de contact de l’une des électrodes d’une couche fixe ou amovible, en un matériau présentant une résistivité permettant d’obtenir le différentiel de résistivité ajusté, et en insérant dans l’une des électrodes une couche un matériau présentant une résistivité permettant d’obtenir le différentiel de résistivité ajusté.
La diversité des méthodes d’ajustement du différentiel de résistivité entre les électrodes permet d’adapter le système de soudure par point à de nombreuses applications, tout en réduisant les coûts de cette adaptation. Selon un mode de réalisation, les caractéristiques intrinsèques de chacune des deux pièces comprennent au moins l’une des caractéristiques suivantes : l'épaisseur, la résistivité, et la température de fusion.
Selon un mode de réalisation, l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend des étapes consistant à : utiliser pour l’une des deux électrodes une électrode multiple formée d’au moins deux parties d’électrodes isolées électriquement l’une de l’autre, le premier courant électrique étant établi entre l’une des parties d’électrodes et l’autre des deux électrodes, et établir un second courant électrique entre les deux parties d’électrode via les pièces à assembler pour former un premier noyau de soudage en regard de l’une des deux parties d’électrode.
L’usage d’une telle électrode à deux parties d’électrodes isolées présente l’avantage de permettre d’ajuster dynamiquement la répartition de la densité d’énergie thermique, sans avoir à changer une électrode ou à lui associer une couche en matériau plus résistif.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape d’inversion du second courant entre les deux parties d’électrode pour étendre le noyau de soudage vers une zone en regard de l’autre des deux parties d’électrode.
La combinaison des étapes d’application du second courant et d’inversion de ce courant permet d’obtenir un noyau de soudage s’étendant sur une surface correspondant à la surface de contact des électrodes, sans augmenter le temps de soudage.
Selon un mode de réalisation, l’étape d’inversion du second courant entre les deux parties d’électrode est effectuée plusieurs fois.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape d’ajustement de l’énergie électrique fournie par chacun des premier et second courants électriques pour former la zone d’amorçage du noyau de soudage à une profondeur dans les pièces dépendant d’un différentiel d’énergies électriques fournies par les premier et second courants électriques.
Grâce à cette disposition, il est possible d’adapter dynamiquement la profondeur du noyau de soudage dans l’empilement des pièces à assembler.
Selon un mode de réalisation, l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend des étapes consistant à : utiliser pour l’autre des deux électrodes une électrode multiple formée d’au moins deux parties d’électrodes isolées électriquement l’une de l’autre, sélectionner une partie d’électrode parmi les deux électrodes, et appliquer une polarité de tension à la partie d’électrode sélectionnée et appliquer une polarité de tension inverse aux parties d’électrodes non sélectionnées. L’utilisation d’une seconde électrode double permet d’atteindre n’importe quelle profondeur dans l’empilement des pièces à assembler pour former le noyau de soudage.
Selon un mode de réalisation, les deux pièces à assembler appartiennent à un empilement de plus de deux pièces, le procédé comprenant plusieurs étapes successives d’ajustement de l’énergie électrique fournie par chacun des premier et second courants électriques pour ajuster la profondeur de la zone d’amorçage du noyau de soudage dans l’empilement, afin d’étendre le noyau de soudage aux interfaces entre les pièces de l’empilement.
L’utilisation d’une seconde électrode double et la mise en oeuvre de plusieurs étapes de soudage par point en réajustant à chaque étape la profondeur de formation du noyau de soudage permet de réaliser rapidement une soudure par point au travers d’un empilement de plus de deux pièces à assembler.
Selon un mode de réalisation, l’une des deux pièces à assembler est un insert disposé dans un orifice d’une troisième pièce à assembler pour assembler la troisième pièce à l’autre des deux pièces à assembler.
Ainsi, il est possible d’assembler une pièce non électriquement conductrice avec une pièce conductrice, par la technique de soudure par point, tout en assurant une bonne qualité de la soudure, et sans risque d’endommager la pièce non conductrice en raison d’un excès de chaleur ou de pression.
Des modes de réalisation peuvent également concerner un système de soudage par point comprenant deux électrodes, à appliquer contre deux faces opposées d’un empilement de pièces à assembler, le système étant configuré pour mettre en oeuvre le procédé tel que précédemment défini.
Selon un mode de réalisation, les électrodes présentent un différentiel de surface de contact, et/ou les électrodes présentent un différentiel de résistivités de surfaces de contact avec les pièces à assembler, et/ou les électrodes présentent un différentiel de résistivité, et/ou au moins l’une des électrodes comprend deux parties d’électrodes isolées électriquement l’une de l’autre et connectées de manière à pouvoir recevoir chacune une tension respective.
Selon un mode de réalisation, l’une des deux électrodes présente l’une des caractéristiques suivantes : est réalisée dans un matériau présentant une résistivité supérieure à la résistivité de l’autre électrode, présente une surface de contact recouverte d’une couche fixe ou amovible, en un matériau présentant une résistivité supérieure à la résistivité de l’électrode, et comprend un logement dans lequel est inséré un matériau présentant une résistivité supérieure à la résistivité de l’électrode. Brève description des figures
La présente invention sera bien comprise à l’aide de la description qui suit d’exemples de réalisation en référence aux figures annexées, dans lesquelles des signes de références identiques correspondent à des éléments structurellement et/ou fonctionnellement identiques ou similaires.
La figure 1 représente schématiquement en coupe deux pièces à assembler disposées l’une contre l’autre entre deux électrodes de soudage par point, selon l’art antérieur,
Les figures 2 à 8 représentent schématiquement en coupe deux pièces à assembler disposées l’une contre l’autre entre deux électrodes de soudage par point, selon divers modes de réalisation,
Les figures 9A, 9B, 9C représentent schématiquement en coupe deux pièces à assembler disposées l’une contre l’autre entre deux électrodes de soudage par point, selon un autre mode de réalisation,
La figure 10 représente schématiquement en coupe deux pièces à assembler disposées l’une contre l’autre entre deux électrodes de soudage par point, selon un autre mode de réalisation,
Les figures 11 A, 11 B, 11 C, représentent schématiquement en coupe deux pièces à assembler l’une contre l’autre à différentes étapes d’un procédé d’assemblage, selon un autre mode de réalisation,
Les figures 12A, 12B représentent schématiquement en coupe deux pièces à assembler l’une contre l’autre à différentes étapes d’un procédé d’assemblage, selon un autre mode de réalisation.
Description détaillée
Les figures 1 à 8 représentent deux pièces à assembler P1 , P2 disposées l’une contre l’autre entre deux électrodes E1 , E2, E11 , E12, E21-E26 de soudage par point alignées suivant un axe Z. La figure 1 illustre un mode de soudage par point selon l’art antérieur. Dans les exemples des figures 1 à 8, les pièces P1 , P2 présentent la forme de plaques représentées horizontalement, avec une surface de contact S3 à l’interface entre les deux pièces. La pièce P1 montrée sur les figures en position supérieure, présente une épaisseur inférieure à la pièce P2 montrée en position inférieure. L’électrode supérieure E1 , E11 , E21-E26 est donc placée contre la pièce supérieure P1 et présente une surface de contact S1 avec la pièce P1 . L’électrode inférieure E2, E12 est placée contre la pièce inférieure P2 et présente une surface de contact S2 avec la pièce P2.
Pour assembler les deux pièces P1 , P2 l’une à l’autre par la technique de soudage par point, les pièces sont électriquement conductrices, et les électrodes E1 , E2, E11 , E12, E21-E26 sont soumises à une tension, de manière à faire circuler un courant électrique de l’une vers l’autre des électrodes. Le passage du courant au travers les pièces P1 , P2 produit un échauffement plus ou moins élevé localement, en fonction de la résistivité des régions traversées par le courant. Ces régions résistives comprennent : les électrodes E1 , E2, E11 , E12, E21-E26 qui sont réalisées dans des matériaux de faible résistivités R1 , R7, par exemple en cuivre, les surfaces de contact S1 , S2 entre les électrodes et les pièces P1 , P2 à assembler, dont les résistivités respectives R2, R6 dépendent de la pression exercée par les électrodes et de l’état des surfaces en contact, les pièces P1 , P2 à assembler présentant respectivement des résistivités R3, R5, et la surface de contact à l’interface S3 entre les pièces à assembler, dont la résistivité R4 dépend de la pression exercée par les électrodes et de l’état des surfaces en contact.
Les résistivités R2, R4, R6 respectives des surfaces de contact S1 , S2, S3 sont en partie liées à la pression exercée par les électrodes E1 , E2, qui peut atteindre plusieurs kN.
L’échauffement produit par effet Joule par le passage du courant entre les électrodes E1 , E2 E11 , E12, E21-E26 et dans les pièces P1 , P2, forme une distribution de densité d’énergie thermique dans les pièces P1 , P2, favorisant la formation d’une zone d’amorçage de noyau de soudage dans les pièces à assembler. Lorsque la température de cette zone d’amorçage atteint la température de fusion de la pièce dans laquelle elle est située, un noyau de soudage WN se développe dans et autour de cette zone, dans lequel les matériaux constituant les pièces entrent en fusion. L’assemblage des deux pièces P1 , P2 est réalisé lorsque le noyau de soudage WN s’étend aux deux pièces au travers de la surface de contact S3, ce qui implique que la zone d’amorçage ait atteint ou dépassé les températures de fusion des deux pièces.
Les figures 1 à 8 représentent les valeurs relatives des résistivités R1-R7, et les valeurs des densités de courant 11 , I2, I3 au travers des surfaces de contact S1 , S2 et de l’interface S3.
Sur la figure 1 , les surfaces de contact des électrodes E1 , E2 sont identiques. Il en résulte que la densité de l’énergie thermique générée par effet Joule peut être distribuée de manière à former une zone d’amorçage du noyau de soudage située sur le plan médian PM à égales distances des surfaces de contact S1 , S2 entre les pièces P1 , P2 et les électrodes E1 , E2. Si les pièces P1 , P2 présentent des épaisseurs différentes, des résistivités identiques et des températures de fusion identiques, la répartition de l’énergie thermique peut générer un noyau de soudage WN en une zone éloignée de la zone d’interface S3 entre les deux pièces P1 , P2, où il est souhaitable de former le noyau de soudage pour assurer la fixation des pièces P1 , P2 l’une à l’autre. Il en résulte que le courant entre les électrodes devra être fourni pendant plus longtemps pour permettre au noyau de soudage de s’étendre et d’atteindre l’autre pièce P1 au travers de la zone d’interface S3.
Dans l’exemple de la figure 1 , les résistivités R1 , R7 des électrodes E1 , E2 sont faibles, les résistivités R2, R6 des surfaces de contact S1 , S2 sont un peu plus élevées, la résistivité R3 de la pièce P1 est sensiblement identique à la résistivité R2 de la surface de contact S1 , la résistivité R5 de la pièce P2 est plus grande que celle de la pièce P1 , et la résistivité de l’interface S3 est sensiblement identique à celle de la pièce P2. Les densités de courant 11 , I2, 13 sont sensiblement identiques aux interfaces S1 , S2, S3.
Selon un mode de réalisation illustré par la figure 2, les électrodes E11 , E12 diffèrent des électrodes E1 , E2 en ce qu’elles présentent des surfaces de contact S11 , S12 respectives différentes avec les pièces P1 , P2. Dans l’exemple de la figure 2, l’électrode E11 présente la surface de contact S11 la plus petite et se trouve en contact avec la pièce P1 ayant l’épaisseur la plus faible. Il en résulte que la densité de courant 11 , et donc la densité d’énergie thermique, est plus élevée au voisinage de l’électrode E11 présentant la surface de contact S11 la plus petite. La densité de courant I3 est plus faible au voisinage de l’électrode E12 présentant la surface de contact S12 la plus grande. En revanche, les résistivités R1-R7 ne sont pas modifiées par rapport au mode de réalisation de la figure 1. La zone d’amorçage où l’énergie thermique se trouve la plus concentrée est donc déplacée vers l’électrode E11 , ce qui permet de former un noyau de soudage WN1 à une profondeur plus proche de l’interface S3 entre les deux pièces P1 , P2.
En ajustant les surfaces de contact respectives des électrodes E11 , E12, il est donc possible d’ajuster la position de la zone d’amorçage dans les pièces P1 , P2, sur l’axe longitudinal Z commun des électrodes, et donc la position du noyau de soudage WN1 au sein des pièces P1 , P2 à assembler.
Cependant, il s’avère que le déplacement possible de la zone recevant le plus d’énergie thermique est limité et peut ne pas être suffisant pour placer correctement le point d’amorçage du noyau de soudage, compte tenu des épaisseurs et températures de fusion des pièces P1 , P2, et des résistivités R2-R6. En outre, en raison de la pression de contact des deux électrodes, nécessaire pour réaliser une soudure par point, une électrode ayant une surface de contact trop petite peut déformer la pièce à assembler avec laquelle elle est mise en contact, et donc l’endommager.
La figure 3 représente les deux pièces à assembler P1 , P2 disposées l’une contre l’autre entre deux électrodes E21 , E2 de soudage par point. Selon un mode de réalisation, l’électrode E21 diffère de l’électrode E1 en ce que sa résistivité R1 est plus grande que celle (R7) de l’électrode E2. Les densités de courant 11 , I2, I3 ne sont pas modifiées. De cette manière, l’électrode E21 la plus résistive s’échauffe davantage par effet Joule que l’électrode E2 la moins résistive. Il en résulte que la distribution de l’énergie thermique présente une zone recevant le plus d’énergie thermique à une profondeur encore plus proche de l’électrode E21 que de l’électrode E2. En ajustant les résistivités respectives des électrodes, il est donc possible d’ajuster la position de la zone d’amorçage du noyau de soudage WN2 au sein des pièces P1 , P2 à assembler de manière à ce qu’elle soit générée sur ou au voisinage de l’interface S3 entre les pièces P1 , P2.
Un tel résultat peut également être obtenu dans les modes de réalisation illustrés par les figures 4 à 8.
Sur la figure 4, la résistivité R2 de la surface de contact S1 de l’électrode supérieure E22 est augmentée, par exemple en augmentant la rugosité de la surface de l’électrode de manière à ce qu’une partie seulement de la surface de l’électrode E22 soit en contact avec la pièce P1 .
Sur la figure 5, la résistivité R1 de l’électrode supérieure E23 est augmentée en plaçant une couche résistive RL sur la surface de contact S1 de l’électrode E23. La couche résistive RL est formée d’un matériau plus résistif que le matériau constituant les électrodes E23, E2. La résistivité de la couche résistive RL peut être ajustée par le choix du matériau qui la constitue et de ses dimensions, pour que la zone d’amorçage du noyau de soudage WN2 au sein des pièces P1 , P2 à assembler soit située sur ou au voisinage de l’interface S3 entre les pièces P1 , P2. La présence de la couche résistive à l’interface entre l’électrode E23 et la pièce P1 peut avoir pour effet d’augmenter la résistivité R2 de la surface de contact S1.
L’électrode supérieure E24 de la figure 6 diffère de celle (E23) de la figure 5 en ce que sa surface de contact S21 est plus grande que la surface de contact S2 de l’électrode inférieure E2. La couche résistive RL3 peut être également élargie pour couvrir toute la surface de contact S1 de l’électrode E24. Cette disposition permet d’obtenir un noyau de soudage WN3 élargi. Il convient ici d’observer que l’augmentation de la résistivité R1 obtenue par la couche résistive RL3 compense largement l’augmentation de la surface de contact S21 et permet de former le noyau de soudage WN3 au voisinage de l’interface entre les deux pièces P1 , P2, même si la pièce inférieure P2 présente une plus grande épaisseur que la pièce supérieure P1 .
Sur la figure 7, la résistivité R1 de l’électrode supérieure E25 est augmentée en insérant un matériau résistif RL1 dans un logement situé au voisinage de la surface de contact S1 de l’électrode E25. De cette manière, l’état de surface de l’électrode E25 peut être identique à celui de l’électrode E2. La résistivité de l’insert résistif RL1 peut également être ajustée dans le même but que dans le mode de réalisation de la figure 5.
L’électrode supérieure E25 de la figure 8 diffère de celle (E23) de la figure 5 en ce que la couche résistive RL de l’électrode supérieure est remplacée par une pièce amovible RL2 susceptible d’être fixée de manière à couvrir la surface de contact S1 de l’électrode E25. La pièce RL2 est formée d’un matériau plus résistif que le matériau constituant les électrodes E25, E22. La pièce RL2 est par exemple fixée par des clips sur l’électrode E25.
La couche résistive RL, RL3 peut être réalisée par exemple en acier, aluminium, bronze ou nickel. Elle peut être formée sur la surface de contact de l’électrode par un procédé de métallisation tel que le procédé de projection à froid ("cold spray"). Le procédé de projection à froid consiste à projeter une poudre métallique à une vitesse élevée à l’aide d’un gaz sous pression et haute température (jusqu’à 50 bars et 1100°C) sur la surface à recouvrir, la force d’impact assurant la qualité du dépôt. A cet effet, une tuyère convergente-divergente (type De-Laval) permet de transformer la température et la pression du gaz en énergie cinétique, entraînant son accélération jusqu’à une vitesse supersonique et son refroidissement à une température inférieure à 100°C. La poudre métallique est injectée dans la zone haute pression de la buse, où les particules de métal sont accélérées à des vitesses pouvant atteindre 1200m/s. La déformation des particules lors de l’impact sur la surface à traiter permet d’obtenir des revêtements de très bonne qualité, avec une forte adhérence et aucune oxydation.
La nature du métal formant la poudre métallique est choisie pour ajuster le différentiel de résistivité des électrodes. La surface de contact de la pièce amovible RL2 peut également être traitée par un tel procédé de métallisation.
Les figures 9A, 9B, 9C illustrent un procédé d’assemblage des pièces P1 , P2 par soudage par point, selon un autre mode de réalisation. Les figures 9A, 9B, 9C représentent les deux pièces P1 , P2 disposées l’une contre l’autre et entre deux électrodes E31/E32 et E2. En particulier, ces figures représentent les pièces P1 , P2 à assembler sous la forme de plaques horizontales, la pièce supérieure P1 présentant une épaisseur inférieure à la pièce inférieure P2. Les électrodes comprennent donc une électrode supérieure E31/E32 disposée au-dessus des pièces à assembler et une électrode inférieure E2 disposée en dessous des pièces à assembler. Selon un mode de réalisation, l’électrode E31/E32 est une électrode double comportant deux électrodes (ou deux parties d’électrode) E31 et E32 séparées par une couche électriquement isolante DL. De cette manière, les parties d’électrode E31 et E32 peuvent être soumises à des tensions différentes. Les parties d’électrode E31 et E32 et la couche isolante peuvent être assemblées par exemple par une bague disposée autour de l’assemblage. La couche isolante peut être réalisée en un matériau diélectrique stable aux températures auxquelles sont soumises les électrodes. Ce matériau diélectrique peut être par exemple un matériau composite à base de silicate de calcium, un géopolymère, le PTFE (polytétrafluoroéthylène), le PPS (polysulfure de phénylène), le PAI (Polyamide-imide), un PSU (polysulfone), l’alumine ou encore une céramique.
Comme illustré par les figures 9 et 10, l’électrode double E31/E32 présente le même volume externe que l’électrode simple E2. Il en résulte par exemple que la surface de contact de l’électrode double E31/E32 peut être traitée par un même outil que l’électrode simple E2, notamment pour réaliser en production une opération dite de "rodage" visant à retirer les particules de matière arrachées aux pièces à souder et adhérant à la surface de contact. La compacité de ce mode de réalisation permet également de répondre aux enjeux d’accessibilité aux zones à assembler, qui dépend de l’encombrement des électrodes.
La figure 9A illustre une étape du procédé d’assemblage, dans laquelle l’électrode E31 est soumise à une tension positive et les électrodes E32 et E2 sont soumises à une tension négative. De cette manière, un premier courant 111 est établi entre les électrodes E2 et E31 au travers des pièces P1 , P2, et un second courant 112 est établi entre les électrodes E32 et E31 principalement au travers de la pièce P1 en contact avec l’électrode double E31/E32. Les deux courants 111 , 112 forment une zone de densité de courant plus élevée au voisinage de la surface de contact entre la pièce P1 et la seule électrode (E31 ) soumise à une tension positive, cette zone de densité de courant plus élevé étant propice à la formation d’une zone d’amorçage SZ d’un noyau de soudage WN4.
La figure 9B illustre une étape du procédé d’assemblage, dans laquelle l’électrode E32 est soumise à une tension positive et les électrodes E31 et E2 sont soumises à une tension négative. De cette manière, le premier courant 111 est établi entre les électrodes E2 et E32 au travers des pièces P1 , P2, et le second courant 112 est établi entre les électrodes E31 et E32 principalement au travers de la pièce P1 en contact avec l’électrode double E31/E32. La combinaison des deux courants 111 , 112 favorise donc la formation d’une zone d’amorçage SZ d’un noyau de soudage à proximité de l’électrode E32.
La figure 9C illustre un état final d’un procédé d’assemblage enchainant les étapes illustrées par les figures 9A et 9B, en exploitant l’inertie thermique. Durant l’enchainement de ces étapes, la zone d’amorçage SZ est déplacée latéralement de l’électrode E31 vers l’électrode E32. Il en résulte que le noyau de soudage WN4 est étendu dans la direction de l’électrode E32 pour former un noyau de soudage WN5 s’étendant à l’interface S3 et ayant la largeur de l’électrode double E31 , E32 ou de l’électrode E2. Comme la densité de courant obtenue à chacune de ces étapes est plus élevée qu’avec une électrode simple, la durée de l’opération de soudage en deux étapes (figures 9A, 9B) peut être plus courte à tensions égales qu’en une seule étape avec deux électrodes simples de mêmes surfaces de contact. Ainsi, le procédé illustré par les figures 9A, 9B permet de piloter la direction d’extension du noyau de soudage. Au contraire, dans la technique de soudage par point selon l’art antérieur, on prolonge la durée de l’opération de soudure pour laisser le noyau de soudage s’étendre suffisamment dans toutes les directions, sans être certain que le noyau de soudage s’étend suffisamment au travers de l’interface entre les pièces à assembler. Une telle prolongation du temps de soudage entraine une dépense d’énergie non efficace et un risque d’endommager les pièces à assembler, sans garantie de la solidité de l’assemblage.
Il peut être observé que l’électrode double E31/E32 peut être utilisée comme une électrode simple en soumettant les électrodes E31 et E32 à une même tension de polarité positive ou négative, tandis que l’électrode E2 est soumise à une tension de polarité inverse. De cette manière, un courant est établi entre les électrodes E2 et E31/E32 au travers des pièces P1 , P2.
Selon un mode de réalisation, les étapes illustrées par les figures 9A, 9B sont enchainées plusieurs fois en inversant plusieurs fois les polarités des tensions appliquées aux électrodes E31 et E32. Selon un exemple de réalisation, les polarités des tensions appliquées aux électrodes E31 et E32 sont inversées à une fréquence de plusieurs centaines de Hertz (par exemple 1 kHz) pendant une durée de quelques centaines de millisecondes (par exemple 1 s).
Selon un mode de réalisation, dans les cas illustrés par les figures 9A, 9B où les tensions fournies aux électrodes E31 et E32 ont des polarités inverses, la tension fournie aux électrodes E2, E31 , E32 est modulée de manière à ajuster l’énergie électrique fournie par le premier courant 111 entre les électrodes de polarités inverses E2 et E31 (cas de la figure 9A) ou E2 et E32 (cas de la figure 9B) d’une part, et d’autre part l’énergie électrique fournie par le second courant 112 entre les électrodes E32 et E31. Cet ajustement permet d’ajuster la position de la zone de densité d’énergie plus élevée et donc la zone d’amorçage, entre l’électrode E2 et l’électrode double E31/E32. Le premier courant 111 peut être nul et le second courant 112 non nul. Dans ce cas, la zone d’amorçage SZ du noyau de soudage est générée par le second courant 112 et se trouve donc au plus proche de l’électrode double E31/E32. Le second courant 112 peut être nul et le premier courant 111 non nul. Dans ce cas, la zone d’amorçage du noyau de soudage est formée par le premier courant 111 et se trouve donc sensiblement à égales distances des surfaces de contact S1 , S2 des électrodes E31/E32 et E2, sur le plan médian PM à égales distances des surfaces de contact S1 , S2. Par conséquent, en présence des deux courants 111 , 112, la zone d’amorçage SZ du noyau de soudage est formée entre ces deux extrêmes dans les pièces P1 , P2, à une distance de l’électrode double E31/E32 dépendant du ratio entre les intensités de ces deux courants.
L’ajustement de l’énergie électrique fournie par les courants 111 , 112 entre chaque paire d’électrodes (E31 , E2) et (E31 , E32) ou (E32, E2) et (E32, E31 ), de polarités opposées peut être effectuée en appliquant des modulations différentes à ces paires d’électrodes. Selon un exemple de réalisation, la modulation utilisée peut être de type PWM ("Pulse Width Modulation"), l’énergie électrique fournie étant ajustée en ajustant le rapport cyclique de la modulation.
La figure 10 représente schématiquement en coupe les deux pièces P1 , P2 à assembler disposées l’une contre l’autre entre deux électrodes E31/E32 et E41/E42 de soudage par point, selon un autre mode de réalisation. Le mode de réalisation de la figure 10 diffère de celui de la figure 9A en ce que les deux électrodes de part et d’autre des pièces P1 , P2 à assembler sont des électrodes doubles. Ainsi, l’électrode inférieure (sur la figure 10) est formée de deux électrodes E41 et E42 séparées l’une de l’autre par une couche DL1 en un matériau électriquement isolant. La prévision de deux électrodes doubles permet de générer la zone d’amorçage du noyau de soudage au voisinage de n’importe laquelle des électrodes E31 , E32, E41 , E42, et donc d’ajuster la position du noyau de soudage WN7 à n’importe quelle profondeur dans les des pièces P1 , P2 entre les électrodes doubles E31/E32 et E41/E42. En effet, la zone d’amorçage du noyau de soudage peut être localisée comme précédemment décrit entre le plan médian PM situé à égales distances des surfaces de contact S1 , S2 et l’électrode double E31/E32, en établissant le premier courant entre l’électrode double E41/E42 et l’électrode E31 ou E32, et le second courant entre les électrodes E31 et E32. La prévision de l’électrode double E41/E42 permet d’établir le premier courant entre l’électrode double E31/E32 et l’électrode E41 ou E42, et le second courant entre les électrodes E41 et E42. Ainsi, la zone d’amorçage du noyau de soudage peut être localisée dans l’épaisseur des pièces P1 , P2, entre le plan médian PM de l’épaisseur cumulée des pièces P1 , P2 et la surface de contact de l’électrode double E41/E42.
Selon un mode de réalisation, l’électrode double E31 , E32 peut être remplacée par une électrode multiple, divisée en plus de deux électrodes séparées par des couches électriquement isolantes, l’une des électrodes de l’électrode multiple étant soumise à une première tension et les autres électrodes de l’électrode multiple étant soumises à une seconde tension de polarité opposée, lors d’une étape du procédé de soudage. Le procédé de soudage peut alors comporter autant d’étapes comme celles illustrées par les figures 9A, 9B que d’électrodes dans l’électrode multiple, l’électrode soumise à la première tension étant modifiée à chaque étape. Cette disposition permet d’augmenter davantage la densité de courant au voisinage de l’électrode soumise à la première tension.
Dans les modes de réalisation illustrés par les figures 2 à 11 , le procédé de soudage par point permet d’obtenir une soudure ayant la qualité requise tout en réduisant l’énergie électrique requise, avec des pièces à assembler qui peuvent présenter des épaisseurs très différentes, des résistivités différentes et des températures de fusion différentes. Ainsi, le procédé de soudage peut être appliqué à l’assemblage de deux pièces électriquement conductrices, de même composition ou de compositions différentes, par exemple en acier, aluminium, cuivre, titane, en alliage de nickel par exemple du type Inconel®.
En outre, le nombre de pièces à assembler peut être supérieur à deux, les pièces à assembler formant un empilement de pièces. L’assemblage d’un tel empilement peut par exemple être réalisé en utilisant des électrodes multiples comme illustré par la figure 10, et en faisant varier la profondeur de formation de la zone d’amorçage du point de soudage pour atteindre toutes les interfaces entre deux pièces de l’empilement.
Les figures 11 A, 11 B, 11 C, représentent deux pièces P3, P4 à assembler l’une contre l’autre à différentes étapes d’un procédé d’assemblage, selon un mode de réalisation. La pièce P3 peut être réalisée dans un matériau non compatible avec la technique de soudage par point, comme par exemple un matériau non électriquement conducteur, ou un matériau risquant d’être endommagé en raison des températures et pressions élevées auxquelles sont soumises les pièces. Un insert INS est utilisé pour assembler les pièces P3, P4. A cet effet, l’insert INS est engagé dans un orifice H traversant formé dans la pièce P3. L’insert INS comprend un plot CP central prévu pour être soudé sur la pièce P4 et un rebord périphérique PE prévu pour former une butée lors de son insertion dans la pièce P3 et retenir la pièce P3 après soudage de l’insert à la pièce P4. L’insert INS peut également comporter une collerette périphérique AC prévue notamment pour protéger la pièce P3 des températures élevées lors du soudage du plot CP sur la pièce P4. La collerette AC peut également être conformée pour réaliser l’orifice H lors de l’engagement de l’insert dans la pièce P3.
Sur la figure 11A, l’insert INS est engagé dans l’orifice H formé dans la pièce P3. Sur la figure 11 B, l’ensemble formé des pièces P3, P4 et de l’insert INS est placé entre des électrodes de soudage par point, par exemple les électrodes E21 , E2, le différentiel de résistivité entre l’électrode E21 placée en contact avec la pièce P4 et l’électrode E2 placée en contact de l’insert INS, étant ajusté pour que la zone d’amorçage du noyau de soudage soit formée à une profondeur correspondant à celle de l’extrémité libre du plot CP. Sur la figure 11 C, un courant est fourni entre les électrodes E21 , E2, ce qui permet de former un noyau de soudage WN8 incluant l’extrémité libre du plot CP qui s’est déformée sous l’effet de l’énergie thermique apportée par les électrodes, et une partie de la pièce P4 en contact avec le plot. L’insert INS permet alors de maintenir les pièces P3, P4 plaquées l’une contre l’autre.
Bien entendu, la profondeur de la zone d’amorçage du noyau de soudage peut également être ajustée en utilisant des électrodes multiples comme illustré par les figures 9 et 10.
Grâce à l’utilisation d’un tel insert soudé, le procédé peut être appliqué à l’assemblage d’une pièce électriquement conductrice, par exemple en acier, aluminium, cuivre, etc. avec une pièce en un matériau non électriquement conducteur, comme par exemple un matériau de type résine, polymère, céramique ou composite. L’insert INS peut être formé dans un matériau tel que l’acier ou l’aluminium.
Les figures 12A, 12B représentent les deux pièces P3, P4 à assembler l’une contre l’autre à différentes étapes d’un procédé d’assemblage, selon un autre mode de réalisation. Le mode de réalisation illustré par les figures 12A, 12B diffère de celui des figures 11A-11 C en ce que l’insert INS1 utilisé pour assembler les pièces P3, P4 présente une forme simplifiée sans collerette périphérique AC. Sur la figure 12B, un courant est fourni entre les électrodes E21 , E2, ce qui permet de former un noyau de soudage WN9 incluant l’extrémité libre du plot CP qui s’est déformée, et une partie de la pièce P4 en contact avec le plot. L’insert INS1 permet alors de maintenir les pièces P3, P4 plaquées l’une contre l’autre. Il apparaîtra clairement à l’homme de l’art que la présente invention est susceptible de diverses variantes de réalisation et diverses applications. En particulier, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation présentés, mais couvre également toutes les combinaisons techniquement possibles de ces modes de réalisation. Ainsi, un ajustement de la surface de contact d’une des électrodes peut être combiné à un ajustement des résistivités respectives des électrodes (ou du différentiel de ces résistivités) comme illustré par les figures 3 à 8. De même, dans l’usage d’électrodes doubles illustré par les figures 9A-9C et 10, l’une des électrodes formée d’au moins une électrode double, peut avoir une résistivité de surface de contact différente ou une résistivité différente de celle de l’autre des électrodes.
La présente description présente des dispositions pouvant constituer des inventions à part entière, protégeables séparément et indépendamment de la portée des revendications annexées. Ainsi, ces dispositions comprennent :
- la prévision d’une pièce RL1 en un matériau sélectionné, insérée dans l’une et/ou l’autre des électrodes,
- la prévision d’une pièce amovible (RL2) en un matériau sélectionné, fixée de manière amovible sur l’une et/ou l’autre des électrodes, afin de recouvrir la surface de contact de l’électrode,
- la prévision d’une ou deux électrodes comportant au moins deux parties d’électrodes assemblées ensemble avec une couche diélectrique disposée entre les parties d’électrodes pour les isoler électriquement les unes des autres,
- les différents procédés d’alimentation des électrodes multiples décrits précédemment, et notamment l’étape d’inversion du second courant 112 entre les deux parties d’électrode E31 , E32, la répétition de cette étape plusieurs fois, et l’ajustement de l’énergie électrique fournie par chacun des premier et second courants électriques 111 , 112 pour ajuster la profondeur de formation du noyau de soudage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de soudage par point, comprenant des étapes consistant à : disposer deux pièces (P1 , P2, P4, INS, INS1 ) à assembler, électriquement conductrices entre deux électrodes (E11-E26, E31/E32, E12-E22, E41/E42), chacune des deux pièces présentant une zone d’interface (S3) entre les deux pièces et une zone de contact (S1 , S2) avec l’une des deux électrodes, et établir un premier courant électrique entre les deux électrodes au travers des deux pièces, le premier courant électrique produisant une énergie thermique apte à former un noyau de soudage (WN1-WN8) au sein des deux pièces, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’ajustement d’une répartition de densité d’énergie thermique produite par le premier courant électrique en fonction de caractéristiques intrinsèques de chacune des deux pièces, pour générer une zone d’amorçage du noyau de soudage, à une profondeur choisie dans les pièces à assembler (P1 , P2, P4, INS, INS1 ), l’ajustement du différentiel de résistivité des électrodes comprenant le recouvrement de la surface de contact (S1 ) de l’une des électrodes (E21 , E23-E25) d’une couche fixe (RL) ou amovible (RL2), en un matériau présentant une résistivité permettant d’obtenir le différentiel de résistivité ajusté.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend une étape de sélection d’électrodes (E11 , E12, E24, E22) présentant différentes surfaces de contact (S1 , S2, S11 , S12), pour ajuster un différentiel de surfaces de contact des électrodes avec les deux pièces (P1 , P2, P4, INS).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend une étape de sélection d’électrodes (E22, E2) présentant différentes résistivités de surface de contact (S1 , S2) pour ajuster un différentiel de résistivités de surfaces de contact entre les électrodes.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend une étape de sélection d’électrodes (E21-E26, E2) présentant différentes résistivités pour ajuster un différentiel de résistivité entre les électrodes.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’ajustement du différentiel de résistivité des électrodes comprend en outre l’une des étapes suivantes : la sélection d’électrodes (E21 , E22) parmi un ensemble d’électrodes réalisées dans des matériaux différents, et l’insertion dans l’une des électrodes d’une couche (RL1 ) en un matériau sélectionné pourobtenir le différentiel de résistivité ajusté.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend des étapes consistant à : utiliser pour l’une des deux électrodes une électrode multiple formée d’au moins deux parties d’électrodes (E31 , E32) isolées électriquement l’une de l’autre, le premier courant électrique (111 ) étant établi entre l’une des parties d’électrodes et l’autre (E2) des deux électrodes, et établir un second courant électrique (112) entre les deux parties d’électrode via les pièces à assembler (P1 , P2) pour former un premier noyau de soudage (WN4) en regard de l’une des deux parties d’électrode.
7. Procédé selon la revendication 6, comprenant en outre une étape d’inversion du second courant (112) entre les deux parties d’électrode (E31 , E32) pour étendre le noyau de soudage (WN5) vers une zone en regard de l’autre (E32) des deux parties d’électrode.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l’étape d’inversion du second courant (112) entre les deux parties d’électrode (E31 , E32) est effectuée plusieurs fois.
9. Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, comprenant en outre une étape d’ajustement de l’énergie électrique fournie par chacun des premier et second courants électriques (111 , 112) pour former la zone d’amorçage du noyau de soudage à une profondeur dans les pièces (P1 , P2) dépendant d’un différentiel d’énergies électriques fournies par les premier et second courants électriques.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l’ajustement de la répartition de densité d’énergie thermique comprend des étapes consistant à : utiliser pour l’autre des deux électrodes une électrode multiple (E41/E42) formée d’au moins deux parties d’électrodes (E41 , E42) isolées électriquement l’une de l’autre, sélectionner une partie d’électrode (E31 ) parmi les deux électrodes (E31/E32, E41/E42), et appliquer une polarité de tension à la partie d’électrode sélectionnée et appliquer une polarité de tension inverse aux parties d’électrodes (E32, E41 , E42) non sélectionnées.
11 . Procédé selon la revendication 10, dans lequel les deux pièces à assembler appartiennent à un empilement de plus de deux pièces, le procédé comprenant plusieurs étapes successives d’ajustement de l’énergie électrique fournie par chacun des premier et second courants électriques pour ajuster la profondeur de la zone d’amorçage du noyau de soudage dans l’empilement, afin d’étendre le noyau de soudage aux interfaces entre les pièces de l’empilement.
12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11 , dans lequel l’une des deux pièces à assembler (P4, INS) est un insert (INS) disposé dans un orifice (H) d’une troisième pièce (P3) à assembler pour assembler la troisième pièce à l’autre (P4) des deux pièces à assembler.
13. Système de soudage par point comprenant deux électrodes (E11-E26, E31/E32, EE12-E22, E41/E42), à appliquer contre deux faces opposées d’un empilement de pièces (P1 , P2, P4, INS) à assembler, le système étant configuré pour mettre en oeuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 12, une surface de contact (S1 ) de l’une des électrodes (E21 , E23-E25) étant recouverte d’une couche fixe (RL) ou amovible (RL2), en un matériau présentant une résistivité permettant d’obtenir un différentiel de résistivité ajusté.
14. Système selon la revendication 13, dans lequel : les électrodes (E11 , E12, E24, E2) présentent un différentiel de surface de contact (S11 , S12, S21 , S2), et/ou les électrodes (E22, E2) présentent un différentiel de résistivités de surfaces de contact avec les pièces (P1 , P2) à assembler, et/ou les électrodes (E21 , E23-E25, E2) présentent un différentiel de résistivité, et/ou au moins l’une des électrodes comprend deux parties d’électrodes (E31 , E32, E41 , E41 ) isolées électriquement l’une de l’autre et connectées de manière à pouvoir recevoir chacune une tension respective.
15. Système selon la revendication 13 ou 14, dans lequel l’une des deux électrodes présente l’une des caractéristiques suivantes : est réalisée dans un matériau présentant une résistivité supérieure à la résistivité de l’autre électrode (E22), présente une surface de contact recouverte d’une couche (RL, RL2) fixe ou amovible, en un matériau présentant une résistivité supérieure à la résistivité de l’électrode, et comprend un logement dans lequel est inséré un matériau (RL1 ) présentant une résistivité supérieure à la résistivité de l’électrode.
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